Herr Löffler, was ist das besondere an metallischem Glas?
Das Material hat eine ungeordnete, das heisst amorphe Atomstruktur. Die Atome sind nicht in einem Kristallgitter angeordnet, wie zum Beispiel bei Eisen oder Aluminium. Die amorphe Struktur ähnelt der von Fensterglas. Daher auch der Name metallisches Glas.

Welche Vorteile haben metallische Gläser?
Durch die fehlende Kristallstruktur hat das Material eine zwei- bis viermal höhere Festigkeit und eine bis zu 20 Mal höhere Elastizität als kristalline Materialien, wie zum Beispiel Stahl oder Titanlegierungen. Im Gegensatz zu herkömmlichen Metallen schrumpft das Material beim Giessen nur geringfügig und Werkzeuge können bis zu einer Präzision von wenigen Mikrometern hergestellt werden. Diese sind viel konturgenauer und dreimal so hart wie Edelstahl. Hinzu kommt eine sehr hohe Korrosionsbeständigkeit. Magnetische Gläser lassen sich zudem mit wenig Energie ummagnetisieren, was sie für Anwendungen in der Sensorik und als Hochfrequenztransformatoren interessant macht.

Wo liegen die Nachteile?
Es lassen sich nur filigrane Bauteile von einigen Millimetern bis Zentimetern herstellen und die Produktion ist verhältnismässig teuer. Das Material besitzt zwar eine sehr hohe Festigkeit, wird diese jedoch überschritten, so kann es zu einem Sprödbruch kommen.

Welche Produkte können hergestellt werden?
Auf Grund der geschilderten Eigenschaften eignet sich das Material für Federn, Drucksensoren, hochfeste Bauteile, Implantate oder chirurgische Operationswerkzeuge. Produkte wie Handyteile, Gehäuse für Memory-Sticks oder Golfschläger wurden bereits produziert. Eine andere Anwendung liegt im Diebstahlschutz: Die kleinen Plaketten in Büchern oder in Kleidungsstücken bestehen oft aus metallischem Glas. Dünne Bänder aus metallischem Glas werden zudem als Lötfolie eingesetzt, da diese sehr einfach hergestellt werden können.

Seit wann gibt es metallische Gläser?
Entdeckt wurden diese in den 60er Jahren am California Institute of Technology in Pasadena. Als erstes wurde eine Silizium-Gold Mischung hergestellt. Dazu wird zum Beispiel eine Schmelze auf ein rotierendes Kupferrad gespritzt und so schnell abgekühlt, dass die Struktur der Schmelze eingefroren wird. Auf diese Weise erhält man sehr dünne Metallbänder mit einer Dicke von rund 50 Mikrometern.

Hat sich dieser Herstellungsprozess verändert?
Ursprünglich wurden zur Herstellung von metallischen Gläsern Kühlraten von 1 Million Grad Celsius pro Sekunde benötigt. Anfang der 90er Jahre konnte dann die Dicke auf einen Zentimeter erhöht und die Kühlraten auf ein bis 100 Grad Celsius pro Sekunde reduziert werden. Dies wurde durch die Mischung von mehreren Elementen mit unterschiedlichen Atomgrössen und durch die Auswahl von Legierungen mit sehr tiefen Schmelztemperaturen erreicht. Diese neuen amorphen Materialien werden als massive metallische Gläser oder «Bulk Metallic Glasses» bezeichnet. Metallische Gläser mit Dicken deutlich über einem Zentimeter können gegenwärtig nicht hergestellt werden, da es beim Abkühlen zu lange dauern würde, um die Wärme vom Innern des Werkstoffs zur Oberfläche zu transportieren.

Was sind die besonderen Herausforderungen beim Herstellungsprozess?
Die metallischen Massivgläser enthalten oft mehr als vier Elemente und die entsprechenden Vorlegierungen müssen zunächst hergestellt werden. Eine zweite Herausforderung ist der Gussprozess, der im Vakuum stattfinden muss, um Oxidation zu vermeiden. Bisher lassen sich nur Kleinserien herstellen und Stückzahlen von 500 oder 1000 pro Tag sind zur Zeit nur bedingt möglich.

Jetzt fand die ISMANAM-Konferenz an der ETH Zürich statt. Was war das besondere daran?
Auf der Konferenz trafen sich rund 450 internationale Experten aus den Bereichen der metallischen Gläser und Nanomaterialien. Es war mir sehr wichtig, Spezialisten aus beiden Fachgebieten zusammenzubringen, da sich die Herstellungsprozesse und die wissenschaftlichen Fragestellungen ähneln. Damit konnten die beiden Gruppen in idealer Weise voneinander profitieren. Dieses Konzept wurde von den Konferenzteilnehmern besonders geschätzt.

Welche Themen wurden behandelt?
Es ging um das Verständnis von Glasstrukturen, die Theorie des Glasübergangs und Phänomene wie Glasdynamik und Glasrelaxation. Ein wichtiges Thema war auch die mechanische Deformation von Gläsern und deren theoretische Beschreibung. Die Mikrostruktur, Eigenschaften und Defektstrukturen von Gläsern und nanostrukturierten Materialien wurden ebenfalls im Detail diskutiert. Auch die Entwicklung von neuen Gläsern und Nanomaterialien, ihre Anwendbarkeit, sowie neue Verfahren zur Herstellung wurden vorgestellt. Zudem wurden neue Anwendungsgebiete im Gesundheitswesen und in der Energietechnik präsentiert.

Wo liegen aktuell die wissenschaftlichen Herausforderungen im Bereich der metallischen Gläser?
Mitte der 90er Jahre beschrieb der Nobelpreisträger P. W. Anderson die Theorie und Natur des Glases und des Glasübergangs als eines der interessantesten ungelösten Probleme in der Festkörperphysik. Bis heute hat sich daran nicht viel geändert. Wenig verstanden ist auch die mechanische Deformation von metallischen Gläsern und Nanomaterialien. Die Forschung hinsichtlich der Deformation von ungeordneten Systemen steht erst am Anfang und es gibt einen ähnlich grossen Enthusiasmus wie bei der Entwicklung einer Versetzungstheorie für kristalline Materialien in der Mitte des letzten Jahrhunderts. Auf der Anwendungsseite gibt es ebenfalls noch viel zu erforschen. Dies betrifft die Entwicklung von neuen metallischen Gläsern und Nanomaterialien, die industrielle Herstellung von Vorlegierungen und die Entwicklung eines industriellen Druckgussprozesses unter Vakuum.

Bis wann sind Grossserien denkbar?
Das hängt vom jeweiligen Produkt ab. In den kommenden fünf bis zehn Jahren sollte es in verschiedenen Bereichen zu Anwendungen für filigrane Bauteile kommen. Dieses betrifft zum Beispiel Instrumente für die Medizinaltechnik, Federn, Mikromotoren, Kugellager und Sensoren. Das Marktpotential ist sehr gross, so dass gleich mehrere Firmen existieren könnten, ohne sich gegenseitig zu konkurrenzieren.

Hinweise

Jörg Löffler ist Professor für Metallphysik und -technologie am Departement Materialwissenschaft der ETH Zürich.
Zur Konferenz existiert eine Videoaufzeichnung.